Lipopolysaccharide (LPS), a Gram-negative endotoxin, has been well-established as the trigger for the effects of sepsis and septic shock through its binding with the innate immune receptor, Toll-like receptor 4 (TLR4). High doses of LPS signal through TLR4 to produce a massive release of pro-inflammatory cytokines including IL-6, TNFα, and other. Additionally, several recent publications have demonstrated severe metabolic alterations after LPS challenge, suppressing lipid oxidation and concurrently up-regulating glucose oxidation. Unfortunately, this switch in metabolism is inefficient for the great energy demands of the host during a systemic microbial infection which can result in vital organ failure. Meanwhile, a novel concept in several chronic disease pathologies also implicates LPS, although at very low doses. The presence of subclinically elevated circulating endotoxin levels has been termed metabolic endotoxemia and is beginning to be investigated in disease pathologies including insulin resistance and type II diabetes, atherosclerosis, cancer metastasis and Parkinson's disease. These disease phenotypes all possess a component of chronic inflammation whose source has not largely been understood, but examining the effects of very low doses of LPS may provide vital information in understanding their etiologies. However, most information on LPS signaling has been obtained using high doses of LPS (10-200ng/ml) while little to no studies have been published regarding the effects of very low doses of LPS (1pg-100pg/ml) on inflammatory and metabolic alterations. Thus, we use in vivo and in vitro models to determine that both IRAK1 and JNK are critical points of crosstalk downstream of TLR4 for the metabolic and inflammatory alterations associated with metabolic endotoxemia. Additionally, we observed significant down-regulation of nuclear receptors responsible for fatty acid metabolism, including PGC1α, PPARα, and PPARγ after very low dose LPS challenge. Further, we observe phenotypic changes in fatty acid oxidation and glucose oxidation, as well as subsequent changes in cytosolic acetyl-CoA levels and acetylation of pro-inflammatory transcription factor ATF2. Overall our studies point to several mechanisms of cross-talk between metabolism and inflammation and offer significant support to the concept of metabolic endotoxemia in the development of chronic disease. / Ph. D.

High-fat diets and obesity have been linked to unfavorable changes in gut bacteria and increased leakage of bacterially-derived lipopolysaccharide (endotoxin) from the intestinal tract into circulation, which is associated with low-grade inflammation, metabolic dysregulation and degradation of tight-junction proteins between intestinal cells. Probiotic supplementation is the practice of ingesting live strains of bacteria that are proposed to have a beneficial effect on the host by enriching the intestine with healthy bacteria. The purpose of this project was to determine if probiotic supplementation would prevent increased inflammatory tone, decreased oxidative capacity, and decreased tight-junction protein expression associated with high-fat feeding and elevated endogenous endotoxin. Male C57BL/6J mice were fed either a control (CD, 10% fat) or high-fat (HFD, 60% fat) diet for 4 weeks while receiving a daily oral gavage of water (C-VSL#3, HF-VSL#3) or probiotics (C+VSL#3, HF+VSL#3) equivalent to 1.2 billion live cultures. Changes in body weight, body composition, respiratory exchange ratio, energy expenditure, and glucose and insulin tolerance were measured in live mice. Markers of metabolic function were measured in whole muscle homgenates and mitochondria isolated from red and white skeletal muscle. Plasma endotoxin was measured in blood collected from fasted mice at the time of euthanization. The large and small intestines were collected and mRNA levels of tight-junction proteins and markers of nutrient sensing were measured. To determine a possible protective effect against endogenous LPS, a second cohort of mice were given an intraperitoneal injection of 0.1µg/kg LPS or saline to induce endotoxemia after four weeks of the aforementioned feeding protocol. Markers of metabolic function and inflammation were measured in mitochondria, skeletal muscle and liver. VSL#3 supplementation improved glucose homeostasis and markers of inflammation while enhancing nutrient sensing in the gut. / Ph. D.

Obesity over the last several has become a major health concern in our country as well as the world. Obesity is also one of the risk factors which lead to several inflammatory complications such as diabetes, artherosclerosis, etc. Two leading factors involved in the causes of inflammatory complications include leptin and low dose endotoxin lipopolysaccharide (LPS). However, the mechanism underlying the involvement of these two mediators is not clearly understood. The purpose of this study is to understand the mechanism underlying inflammatory complications caused by leptin and low dose endotoxin most recently coined metabolic endotoxemia. Interleukin-Receptor Associated Kinase 1 (IRAK-1) is an intracellular signaling component shown to activate NFκB which leads to the induction of proinflammatory mediators. Deletion of IRAK-1 in mice has beneficial effects in alleviating inflammatory complications and human variations in IRAK-1 gene are correlated with higher risks for inflammatory diseases. Therefore, we hypothesized that IRAK-1 is critically involved for the induction of proinflammatory mediators induced by leptin and low dose LPS. IL-6 mRNA levels were measured in THP-1 (human monocytic cells) and wild type and IRAK-deficient bone marrow derived macrophages (BMDM) challenged with different combinations of leptin and LPS. Data shows that leptin alone will not induce inflammatory mediators. However, increased induction of IL-6 was observed in a synergistic manner involving both LPS and leptin in an IRAK-1 dependent manner causing a robust inflammatory response. With regard to the effect of low dose LPS, we observed that human monocytic cells treated with low concentrations of LPS showed a mild yet sustained induction of proinflammatory cytokines, which is contrast to the robust and transient induction of cytokines by a high dose LPS. To further determine the molecular mechanisms, we measured several key signaling molecules that include IRAK-1, IKKepsilon, and C/EBPdelta. Our study revealed a novel mechanism that appears to be distinct from the traditional NFï «B pathway responsible for the effect of low dose LPS. / Ph. D.

Véritable enjeu de santé publique, l’obésité et ses complications seraient la conséquence d’un état inflammatoire chronique de bas-grade qui pourrait résulter de la présence dans le sang de composés bactériens, les lipopolysaccharides (LPS), état appelé endotoxémie métabolique. Le premier objectif de cette thèse était de comprendre pourquoi les LPS, initialement contenus dans le microbiote, sont capables de traverser l’intestin et d’entrer dans le système sanguin. Mon second objectif était d’étudier l’impact de la composition du microbiote dans le contrôle de la satiété par le nerf vague, lien de communication entre l’intestin et le cerveau. Pour cela, un modèle de rats soumis à un régime obésogène a été utilisée.Mes travaux ont montré que la consommation d’un régime obésogène induisait une perte de la fonction de barrière intestinale au niveau de l’iléon caractérisée par une baisse des défenses mucosales et une augmentation de la perméabilité au LPS. L’obésité est également caractérisée par une altération du comportement alimentaire, avec notamment une réduction de la sensibilité aux signaux de satiété. Nous avons montré que ni l’obésité ni le pourcentage de lipides du régime n’étaient responsables de cette perte de sensibilité aux signaux de satiété mais que l’altération du microbiote en serait le contributeur principal. Ainsi, l’endotoxémie métabolique serait le résultat d’une augmentation du passage transepithelial de LPS, qui, une fois dans le sang, pourraient atteindre, entre autres, le nerf vague où ils perturberaient les signaux intestinaux de satiété. / A real public health issue, obesity and its associated metabolic and behavioral disorders are the consequences of a state of low grade chronic inflammation that might originate from the presence in host plasma of gut-derived bacteria components, lipopolysaccharides (LPS). This present state is called metabolic endotoxemia. The first aim of my thesis was to understand why, in diet-induced obesity (DIO), LPS initially contained in the gut lumen, are able to cross the intestine and enter into the circulatory system. My second aim was to investigate the effect of gut microbiota composition and LPS on the satiety regulation by the vagus nerve, the main communication pathway between the gut and the brain. To answer these questions, we have mainly used a DIO rat model.We showed that consumption of WD induced a loss of ileal barrier function characterized by a reduction in mucosal defenses associated to elevated LPS permeability. Obesity is also characterized by an alteration in feeding behavior including a decreased sensitivity to intestinal satiety signals. We showed that neither obesity nor the lipid percentage of the diet triggers loss of sensitivity to satiety signals but that gut microbiota alterations could rather be the main driver. Hence, metabolic endotoxemia could result from an increased transepithelial passage of LPS, which once spread in the blood could reach, among other things, the vagus nerve where they could disrupt intestinal signals of satiety.

L’obésité est définie comme un surplus de masse adipeuse. Cette condition représente un problème de santé publique devenu pandémique dans les pays industrialisés. Elle prédispose à des maladies potentiellement mortelles comme le diabète de type 2, les maladies cardiovasculaires et la stéatose hépatique non-alcoolique. L’accumulation du tissu adipeux intra-abdominal, formé d’adipocytes, est corrélée avec la résistance à l’insuline. L’augmentation de la masse adipeuse se fait par l’hyperplasie des préadipocytes, la différenciation des préadipocytes en adipocytes et l’hypertrophie des adipocytes. La différenciation des préadipocytes se fait selon l’adipogenèse qui est régulée par une multitude de facteurs, mais qui est inhibée pas les stimuli inflammatoires qui sont aussi responsables de la résistance à l’insuline et de l’apparition des problèmes de santé liés à l’obésité. Nous avons identifié un nouveau système de régulation autocrine/paracrine de l’adipogenèse dans les cellules du tissu adipeux. Le pyroglutamylated RF-amide peptide (QRFP), qui était connu pour son rôle dans la régulation de l’appétit, est un activateur de l’adipogenèse par l’activation de son récepteur, le G protein-coupled receptor 103 (GPR103). Le QRFP est exprimé dans les macrophages et les adipocytes alors que le GPR103 de sous-type b est exprimé dans les adipocytes seulement. Un traitement des adipocytes avec le QRFP augmente le captage des acides gras, l’accumulation de lipides ainsi que l’expression et l’activité de l’enzyme LPL. Le QRFP augmente aussi l’expression des gènes des transporteurs d’acides gras CD36 et FATP1, de l’enzyme activatrice d’acides gras ACSL1 et des facteurs de transcription PPAR-γ et C/EBP-α, qui sont tous impliqués dans l’adipogenèse. En plus de ses effets sur l’adipogenèse, le QRFP possède aussi un effet inhibiteur sur l’activité lipolytique induite par les catécholamines. Nous avons montré que l’expression du QRFP est diminuée dans le tissu adipeux des souris obèses. Selon nos résultats, cette diminution pourrait être expliquée par une augmentation des endotoxines circulantes chez les obèses, appelée endotoxémie métabolique, qui agirait, entre autres, par l’induction des interférons dans les macrophages. Les voies de signalisation de ces effets ont aussi été identifiées. Nous avons montré un autre exemple de stimulus inflammatoire qui régule les signaux adipogènes à la baisse. / Obesity is defined as an excess of fat tissue mass. Obesity is a public health problem which became pandemic in developed countries. The condition of obesity predisposes to potentially fatal diseases like type 2 diabetes, cardiovascular diseases and non-alcoholic steatohepatitis. The increase in intra-abdominal adipose tissue mass is intimately associated with the development of insulin resistance. An increase in fat tissue mass occurs by preadipocytes hyperplasia, preadipocytes differentiation into adipocytes and adipocyte hypertrophy. The differentiation of preadipocytes occurs during adipogenesis and is regulated by multiple factors but inhibited by inflammatory stimuli that are responsible for insulin resistance and the emergence of obesity-related dysfunctions. We identified a new autocrine/paracrine system of regulation of adipogenesis in adipose tissue cells. The pyroglutamylated RF-amide peptide (QRFP), previously known for its role in the regulation of appetite, is an activator of adipogenesis by activating its receptor, G protein-coupled receptor 103 (GPR103). QRFP is expressed in adipocytes and macrophages whereas the GPR103 subtype b is expressed in adipocytes only. Treatment of adipocytes with QRFP increases fatty acids uptake, lipid accumulation, LPL enzyme expression and activity. QRFP upregulates gene expressions of fatty acids transporters CD36 and FATP1, of the fatty acid activating enzyme ACSL1 and of transcription factors PPAR-γ and C/EBP-α, which are all involved in adipogenesis. In addition to its effects on adipogenesis, QRFP shows an inhibitory effect on lipolytic activity induced by catecholamines. We have shown that QRFP expression is decreased in adipose tissues of obese mice. According to our results, this decrease could be explained by an increase of circulating endotoxins in obesity, called metabolic endotoxemia, which mediate its effect, in part, by the induction of interferons in macrophages. Signaling pathways of these effects have been identified. We demonstrated another example of inflammatory stimulus downregulating adipogenic signals.

L’obésité est définie comme un surplus de masse adipeuse. Cette condition représente un problème de santé publique devenu pandémique dans les pays industrialisés. Elle prédispose à des maladies potentiellement mortelles comme le diabète de type 2, les maladies cardiovasculaires et la stéatose hépatique non-alcoolique. L’accumulation du tissu adipeux intra-abdominal, formé d’adipocytes, est corrélée avec la résistance à l’insuline. L’augmentation de la masse adipeuse se fait par l’hyperplasie des préadipocytes, la différenciation des préadipocytes en adipocytes et l’hypertrophie des adipocytes. La différenciation des préadipocytes se fait selon l’adipogenèse qui est régulée par une multitude de facteurs, mais qui est inhibée pas les stimuli inflammatoires qui sont aussi responsables de la résistance à l’insuline et de l’apparition des problèmes de santé liés à l’obésité. Nous avons identifié un nouveau système de régulation autocrine/paracrine de l’adipogenèse dans les cellules du tissu adipeux. Le pyroglutamylated RF-amide peptide (QRFP), qui était connu pour son rôle dans la régulation de l’appétit, est un activateur de l’adipogenèse par l’activation de son récepteur, le G protein-coupled receptor 103 (GPR103). Le QRFP est exprimé dans les macrophages et les adipocytes alors que le GPR103 de sous-type b est exprimé dans les adipocytes seulement. Un traitement des adipocytes avec le QRFP augmente le captage des acides gras, l’accumulation de lipides ainsi que l’expression et l’activité de l’enzyme LPL. Le QRFP augmente aussi l’expression des gènes des transporteurs d’acides gras CD36 et FATP1, de l’enzyme activatrice d’acides gras ACSL1 et des facteurs de transcription PPAR-γ et C/EBP-α, qui sont tous impliqués dans l’adipogenèse. En plus de ses effets sur l’adipogenèse, le QRFP possède aussi un effet inhibiteur sur l’activité lipolytique induite par les catécholamines. Nous avons montré que l’expression du QRFP est diminuée dans le tissu adipeux des souris obèses. Selon nos résultats, cette diminution pourrait être expliquée par une augmentation des endotoxines circulantes chez les obèses, appelée endotoxémie métabolique, qui agirait, entre autres, par l’induction des interférons dans les macrophages. Les voies de signalisation de ces effets ont aussi été identifiées. Nous avons montré un autre exemple de stimulus inflammatoire qui régule les signaux adipogènes à la baisse. / Obesity is defined as an excess of fat tissue mass. Obesity is a public health problem which became pandemic in developed countries. The condition of obesity predisposes to potentially fatal diseases like type 2 diabetes, cardiovascular diseases and non-alcoholic steatohepatitis. The increase in intra-abdominal adipose tissue mass is intimately associated with the development of insulin resistance. An increase in fat tissue mass occurs by preadipocytes hyperplasia, preadipocytes differentiation into adipocytes and adipocyte hypertrophy. The differentiation of preadipocytes occurs during adipogenesis and is regulated by multiple factors but inhibited by inflammatory stimuli that are responsible for insulin resistance and the emergence of obesity-related dysfunctions. We identified a new autocrine/paracrine system of regulation of adipogenesis in adipose tissue cells. The pyroglutamylated RF-amide peptide (QRFP), previously known for its role in the regulation of appetite, is an activator of adipogenesis by activating its receptor, G protein-coupled receptor 103 (GPR103). QRFP is expressed in adipocytes and macrophages whereas the GPR103 subtype b is expressed in adipocytes only. Treatment of adipocytes with QRFP increases fatty acids uptake, lipid accumulation, LPL enzyme expression and activity. QRFP upregulates gene expressions of fatty acids transporters CD36 and FATP1, of the fatty acid activating enzyme ACSL1 and of transcription factors PPAR-γ and C/EBP-α, which are all involved in adipogenesis. In addition to its effects on adipogenesis, QRFP shows an inhibitory effect on lipolytic activity induced by catecholamines. We have shown that QRFP expression is decreased in adipose tissues of obese mice. According to our results, this decrease could be explained by an increase of circulating endotoxins in obesity, called metabolic endotoxemia, which mediate its effect, in part, by the induction of interferons in macrophages. Signaling pathways of these effects have been identified. We demonstrated another example of inflammatory stimulus downregulating adipogenic signals.

L’obésité est associée à un état inflammatoire chronique de bas grade ainsi qu’à descomplications métaboliques secondaires telles que l’insulino-résistance, l’intolérance au glucose etla stéatose hépatique. La composition bactérienne intestinale semble tenir une place importantedans l’apparition de ces complications. Il a en effet été montré qu’une altération du microbiote parun régime obésogène était associée à une endotoxémie métabolique caractérisée par uneaugmentation des concentrations circulantes de lipopolysaccharides bactériens. Les AGPI enn-3 possèdent des propriétés anti-obésogènes et anti-inflammatoires qui pourraient passer par unemodulation du microbiote intestinal et une prévention de l’endotoxémie métabolique. Nous avonsmontré que des souris transgéniques fat-1, présentant des teneurs tissulaires en AGPI enn-3 élevées, soumises durant 18 semaines à un régime obésogène, étaient résistantes à l’obésité etaux troubles métaboliques associés. Ces animaux présentent un maintien de la fonction barrièreintestinale et une prévention de l’endotoxémie métabolique. De plus, une analyse du microbiotecaecal révèle une augmentation du phylum Akkermansia. Enfin, nous avons montré qu’un transfertde matériel fécal de souris fat-1 à des souris sauvages maintenues sous régime obésogène protègeces dernières du développement d’une obésité et des comorbidités associées. Ainsi, uneaugmentation de la teneur en Akkermansia au niveau intestinal par les AGPI en n-3, peutreprésenter une stratégie intéressante de prévention de l’obésité, ainsi que de l’insulino-résistance,l’intolérance au glucose et la stéatose hépatique qui lui sont associées. / Obesity is associated with chronic low-grade inflammatory state and secondary metabolicdisorders, such as insulin-resistance, glucose intolerance and hepatic steatosis. Gut microbiotaseems to play an important role in these obesity features. Moreover, microbiota dysbiosis has beenshown to be associated with increased systemic lipopolysaccharides levels, called metabolicendotoxemia. N-3 PUFAs are anti-obesity and anti-inflammatory molecules able to modulate gutmicrobiota and prevent metabolic endotoxemia. We showed that fat-1 transgenic mice,endogenously synthetizing n-3 PUFAs, resist to obesity development and comorbidities whensubmitted to diet-induced obesity for 18 weeks. These mice exhibit a maintained intestinal barrierfunction and a prevention of metabolic endotoxemia. Moreover, cecal microbiota analysis revealedan increase of Akkermansia phylum. Microbiota transplantation of fat-1 mice to wild type micewas shown to exert protective effects against diet-induced obesity and associated disorders. Thus,increasing gut microbiota Akkermansia population by appropriate n-3 PUFAs may represent apromising strategy to prevent obesity, insulin-resistance, glucose intolerance and hepatic steatosis.